聚氨酯发泡材料的阻燃改性与保温性能研究进展

2024年3月31日发(作者：合肥市科技馆)

聚氨酯发泡材料的阻燃改性与保温性能

研究进展

Summary：聚氨酯泡沫材料具有良好的保温性能，同时还具有耐磨、抗低温以及

绝缘等特点，因此获得了非常广泛的发展，但是由于其阻燃效果较差，制约了

其进一步发展，因此研究人员对聚氨酯发泡材料阻燃改性进行了大量的研究，

基于此本文对聚氨酯发泡材料的阻燃改性与保温性能研究进展进行了探讨。

Keys：聚氨酯；发泡塑料；阻燃改性；保温性能

1 聚氨酯材料的新能

聚氨酯材料时一种应用个非常广泛的合成材料，其是通过多元异氰酸酯和

多元羟基化合物逐步反应加成而成的，在实际生产过程中，通过改变官能团的

数量和类型等方式，可以获得不同形式和性能的聚氨酯材料。聚氨酯材料性能

非常出色，其具有耐磨、抗低温、绝缘以及不易溶解等特点，同时其还具有发

泡性以及高弹性等。聚氨酯硬质泡沫体是一种应用广泛的材料，其不仅质量

轻，而且导热率低，具有良好的保稳性能和防水性能，这种材料的导热系数为

0.018～0.023 W/( m·K)，在众多保温材料中其导热系数是最低的，此外器在

吸水性、耐冷热性能等方面都非常出色，具有较长的使用寿命，因此聚氨酯泡

沫常被应用于保温墙体的使用中，但是聚氨酯泡沫作为保温墙体材料时有一个

致命的缺陷，就是其非常容易燃烧，导致其防火性能比较差，这极大的限制了

其实际应用。相关报道表明，央视文化中心、北京大学体育馆等地发生的火灾

事故，起因都是聚氨酯泡沫材料被引燃导致的，造成了比较大的经济损失和人

员伤亡，因此通过对聚氨酯材料进行改性，提高其阻燃性能获得了人们广泛的

关注。

为了提高聚氨酯塑料的阻燃能力，通常采用引入阻燃组分的方式来对其进

行改性，引入组分组分的方式主要有两类，分别是结构型阻燃技术和添加型阻

燃技术，其中前者是通过添加异氰尿酸酯和碳化二亚胺等结构型阻燃剂来提高

聚氨酯材料的阻燃性能，后者则是加入添加型阻燃剂，这种阻燃剂通过分散到

聚氨酯泡沫中来阻止其进行燃烧。

2 聚氨酯泡沫材料所用阻燃剂的主要类别

为了提升聚氨酯泡沫材料的阻燃性能，会通过加入阻燃剂对其进行改性，

当前常用的阻燃剂类型有磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、硼系阻燃剂、膨胀型阻燃

剂以及填充型阻燃剂等几种，下面对这些方面的研究进展进行探讨：

2.1 磷系阻燃剂

磷系阻燃剂主要有两类，分别是无机型和有机型，其中前者主要包括红磷

以及磷酸盐等，后者则包括磷酸酯以及有机盐等物质。当前，研究人员在磷系

阻燃剂方面进行了很多的研究，张立强等在聚氨酯发泡材料制作过程中加入了

蓖麻油基磷酸酯阻燃多元醇，有效地提高了聚氨酯材料的极限氧系数，使其达

到了23.8%

[3]

；Yanchuk等的研究显示，通过在聚氨酯发泡材料的原料中加入乙

烯基二磷酸盐类物质，从而有效地延长了聚氨酯材料的点火时间，而且随着添

加量的增加而增加，再被点燃之后还能够实现自熄

[4]

；钱立军在聚氨酯材料的

原料中加入了反应型阻燃剂聚磷酸酯多元醇POP550，当这种阻燃剂加入量的质

量分数达到10%时，聚氨酯材料的极限氧系数可以达到23%

[5]

。

2.2 氮系阻燃剂

氮系阻燃剂以三聚氰胺以及其盐类为主，包括氰尿酸盐、双氰胺盐等。研

究人员对氮系阻燃剂也进行了比较多的研究。举例来说，高明等制备了一种软

质的聚氨酯材料，在其中添加了两种氨基树脂基阻燃剂，其研究结果显示当阻

燃剂占到聚氨酯材料质量的30%时，该材料的极限氧系数可以达到27%左右，不

过相较于硬质聚氨酯材料，软质聚氨酯材料的力学性能要差得多

[6]

；赵修文等

的研究显示，通过在原料中加入含氮阻燃聚脲多元醇可以有效地提高聚氨酯材

料的阻燃性能，使其极限氧系数达到24.1%，同时还会使其发烟量极大的下降

[7]

。

2.3 硼系阻燃剂

硼系阻燃剂主要有两类，分别是无机类和有机类。其中，硼酸锌是应用最

为广泛的无机硼系阻燃剂，通过在聚氨酯材料的原料中加入硼酸锌，可以有效

地提高其阻燃性能，同时可以起到良好的抑烟的作用。硼酸锌含有结晶水，当

其被加热到300℃时期结晶水会被蒸发，这个过程会吸收大量的热量，同时其

受热会生成B

2

O

3

，这种物质呈现出玻璃状薄膜的状态，覆盖在聚合物上，从而

将聚氨酯材料和氧气、热量等隔离开，从而起到良好的阻燃效果。Paciorek等

制备了一种含硼的多元醇有机物，将其作为反应型阻燃剂，制备了具有阻燃性

能的聚氨酯材料，这种聚氨酯材料相较于普通的聚氨酯材料，不仅阻燃性能得

到了有效的提升，同时其力学性能也的得到了提升，通过火焰测试，这种聚氨

酯材料能够实现自熄，具有良好的阻燃性能

[8]

。

2.4 填料型阻燃剂

在众多的阻燃剂中，填料型阻燃剂应用最为广泛，用量最大，这主要使其

价格低廉，并且具有良好的稳定性，不过相较于其它的阻燃剂，阻燃效率比较

差。常用的填料型阻燃剂包括氢氧化镁、氢氧化铝和碳酸钙等，其中镁系和铝

系阻燃剂不仅可以起到良好的阻燃剂，同时还有良好的抑烟功能。陶亚秋等分

别研究了氢氧化铝、氢氧化钠和尿素等三种物质对于硬质聚氨酯材料燃烧性能

的影响，研究结果发现加入尿素可以起到最好的阻燃效果，同时，其还对三者

复配的效果进行了研究，发现复配得到的阻燃效果明显优于单独使用

[9]

。氢氧化物阻燃剂存在一个明显的缺陷，即粒径并不均匀，因此在实际应

用中为了提高阻燃效果，通常会将其和其它阻燃剂复配使用，或者是对其进行

粒径纳米化来对其进行改进。

2.5 膨胀型阻燃剂

膨胀型阻燃剂通常包括脱水剂、成炭剂以及气源等几部分，通过加入这种

阻燃剂，在受热后聚氨酯发泡材料表面会形成均匀的碳质泡沫层，这一碳质泡

沫层不仅具有隔热、隔氧以及抑烟等功能，而且可以防止溶液产生，从而具有

良好的阻燃效果。当前，在膨胀型阻燃剂中，可膨胀石墨具有非常广泛的应

用，这是由于其在具有较高的阻燃效率的同时，还具有无毒、低烟以及无溶滴

等方面的特点。如Bashirzadeh等对可膨胀石墨对聚氨酯材料阻燃性能的影